StarLink星座带宽以及对美国潜在用户群的评估

前言

本文介绍了对 StarLink 星座带宽的估计，这些估计是根据公开数据获得的，这些数据包括 SpaceX 专家的公开声明、提交给 FCC 的文件以及 StarLink 用户的数据。

来自卫星的波束所覆盖的地球表面单元的直径为 15 英里（24.13 公里）。StarLink 单星覆盖范围是内接在 15 英里圆内的7个六边形波束，总面积为 379 平方公里。

在美国的农村地区，有 5723 万人生活在农村地区，平均家庭规模为 2.53 人。因此，平均有2,110 间房屋共计 5,339 人住在农村地区的一个蜂窝中。StarLink 卫星到用户终端的下行链路在Ku频段，可用带宽为 2000 MHz，从终端到卫星的上行链路在Ku频段，可用带宽为 500 MHz。

提交给 FCC 的文件谈到了使用从 BPSK 到 64QAM 的调制的可能性。

卫星上有两种极化方式。

1 在 2000 MHz 和 64QAM FEC = 0.873 (= 8/9) 时，我们将得到一颗 StarLink 卫星的总吞吐量，2000 x 2 x 5.11 = 20.22 Gbit，这与已知数据完全一致。
2 UT-1 用户终端工作在 240/62 MHz 信道3
3 ...并且仅在一个右旋极化下运行。因此，8个波束可以在一个卫星上同时工作于同一个极化方式。我们将使用基于 UT-1 类型终端的服务估算需要多少颗卫星才能确保 100% 覆盖地球的任何部分。

要实现 100% 的美国农村地区覆盖，需要 1,341 颗卫星，由于所有卫星都相对均匀地分布在地球的整个表面，而美国大陆的领土在 53 °纬线之间仅占地球领土的 2.55%，因此实际1341颗卫星远远不够。估计在任意给定时刻有多少颗卫星可以在美国上空提供服务需要注意，由于倾斜轨道的卫星分布，美国上空的卫星密度是不均匀的，具体取决于用户的纬度。根据卫星波束覆盖的纬度（24.13 公里）可以估计卫星数量。

北纬48.7°。北达科他州罗莱特的网关站，圆半径约为 1245 公里。

北纬41.4°，宾夕法尼亚州格林维尔的网关，圆半径为 1168 公里。

北纬 26 °，德克萨斯州博卡奇卡的网关，圆半径约为 1060 公里。

蓝点是活动卫星，黄点是网关。2021 年 9 月 3 日拍摄了该星座位置的图像，当天有 1,282 颗卫星到达了它们的最终轨道。随着 StarLink 星座的不断增长，卫星的数量在不断变多。让我们估算一下不同纬度的卫星覆盖“密度”，很明显，居住在美国北部的人获得 StarLink 服务的机会比居住在美国南部的人高 70% 。为了仅向美国农村地区（美国的 53%）提供服务，需要 1,549 颗卫星（第一阶段的 100%）。

总的来说，在最好的情况下，即使在美国北部地区，农村地区也只有 29 个小区中的 1 个（不到 4%）可以通过StarLink 星座的第一阶段全面部署的服务来解决。

SpaceX的任务包括对地球的全覆盖，没有它就不可能组织船舶和飞机的漫游，所以必须有一个解决方案。

首先，可以将一些无人居住的地区或没有航线或航线的地区排除在服务之外。相控阵天线的重新定位时间仅为 5-10 微秒（比 Starlink 网络中的延迟少 4,000 倍）。这允许波束跳跃单个波束依次为多个小区服务。然后，根据一个服务周期中包括多少个小区，可以将提供服务的小区的数量增加2到5到10倍或更多。

对于 4,408 颗v.1.0 卫星，Ku-/Ka 频段，每 10 个小区 1 个波束的周期：至此，对 StarLink 服务提供全球覆盖的可能性的分析可以认为已经完成。现在让我们从用户流量的角度考虑星座的必要组成。 StarLink 卫星在两个极化和 64QAM（正交幅度调制）下运行时的带宽将为 20 Gbps。现在，网络只能使用一种极化方式与 UT-1 终端一起工作。

此外，要使用 64QAM 调制，EbNo（归一化信噪比测量）必须超过 17 dB。然而，目前 UT-1 终端上的 SNR（信噪比）参数为 11 至 12.5 dB，对应于 16 至 32 APSK（幅度和相移键控），最大值为 3.5 bit/Hz。 StarLink 服务的测试间接证实了这一点：终端的创纪录速度在 2021 年春季在德国开始提供服务时得到证明，其中每个小区的用户数量最少，一个用户可以使用波束的整个带宽：领土），然后是 1,584 颗卫星（第 1 阶段的 100%）。我们可以假设，如果波束仅服务于 1 个小区，则同一小区中的所有用户应共享大约 840 Mbit，如果波束使用波束跳跃并服务于 3 个小区，则应共享 240 Mbit。我们来分析一下，一个星链订阅者可以下载多少流量。

我们假设 StarLink 用户的需求是相似的。在五个小时内（下午 6:00 到 11:00），用户平均下载 5.87 GB。我们假设 85% 的流量来自互联网——那么我们需要每秒 2.27 Mbit 来下载如此大的流量。还应该考虑到消费的高峰时刻，例如在 Netflix 或超级碗上的首映式。运营商的做法是不允许平均网络负载超过 70% 到 80%，以避免在此类高峰时段服务质量下降。

我们假设平均网络负载是其全部容量的 80%。在这种情况下，小区的容量为 672 Mbit，可以为 296 个用户提供服务，即小区内潜在用户的 14%。要为更多的用户提供服务，您需要使用第二个、第三个等，即同一颗或另一颗卫星的波束，但始终使用不同的频率。

使用 UT-1 时，为美国大陆的 500,000 名用户提供服务所需的卫星数量估计为 500000 / (8x296) = 211 颗卫星。

由于卫星在地球表面的均匀分布，并且仅考虑美国领土（地球表面的 2.55%），星座应包括 315 / 2.55% = 8,274 颗卫星。但是，由于卫星位于美国边界以外 300 至 500 公里（在海洋、加拿大或墨西哥上空，同样可以为美国领土服务。此外，在北部边界上，卫星的密度卫星的高度几乎是南方的两倍。我们假设美国大陆的领土可以由星座中 5% 的卫星提供服务，在这种情况下，星座应该由 4,229 颗卫星组成。

您还可以计算一个完全部署的 StarLink Ku 波段星座可以为美国大陆的多少用户提供服务——4,408/4,229 x 500,000 = 521,000 个活跃用户。考虑到阿拉斯加、夏威夷、加拿大、欧洲等国家，一百万用户将是可能的。让我们重复一遍——计算是针对 UT-1 终端的当前模型和美国用户的流量消耗概况进行的。

截至撰写本文时，第一阶段部署的 1,584 颗卫星的 StarLink 星座可以为美国大陆的 187,000 名用户提供服务，并具有先前指出的流量消耗概况。最大用户群将在 4 到 6 个月内达到，但免费容量将在美国大陆以外。

在没有实际流量消耗数据的情况下，考虑到用户现在连接星联服务之前使用的是低速连接（1..5 Mbit），可能他们还没有形成需求（习惯) 使用需要高速互联网和消耗大量流量的程序。在这种情况下，StarLink 用户的流量消耗达到美国平均水平的时间最长可能需要 6 到 12 个月，在此期间流量消耗将达到美国平均水平。

2020年美国用户流量消耗的实际数据。

StarLink 网络中流量消耗可能较少的另一个原因是，该网络目前处于 beta 测试模式，一些用户与他们的旧提供商并行使用 StarLink，从而减少了 StarLink 网络的负载。

如果未来 SpaceX 会公布其所在国家/地区的活跃用户数量（理想情况下是每个订阅者的平均流量消耗），那么就有可能根据实际情况检查估算值。